地应力及其测量原理
2 水压致裂法
σ
初始劈裂压力
开启压力
稳定开裂压力
关闭压力 σ
p
σ
σ3 －σ
σ
σ
0 3
在水压力为pb，原始应力
为σ1、σ3共同作用下，孔周 σ10
Pb
σ10
边岩体中切向应力：
σ
0 3
1 2
0 1
0 3
1
R02 r2
pb
R02 r2
1 2
0 1
3 地应力及其测量原理
3.1 概 述
概念：a 地层未受到扰动时，存在于地层 内各点的应力称为原岩应力，或称为原始应 力，或称为初始地应力（in situ stress）。它 是地下工程围岩变形、破坏、支护结构受力 的根本渊源。
b 当地层被开挖后，存在于开挖空间周 围岩体中重新分布的应力称为次生应力，也 叫诱发应力（induced stress）。
1 在地下工程中
1）围岩稳定与支护结构设计； 2）地下洞室走向选择； 3）地下洞室断面几何形状； 4）坚硬脆性岩体中的岩爆；
2 在地上工程中
主要是基坑开挖后，底部岩体在原岩应 力作用下出现底鼓而影响上部结构稳定。
3.3 地壳浅部地应力的变化规律
3.3.1 地应力是个非稳定应力场
3.3.2 实测垂直应力 z 基本等于上覆岩
2） 孔壁应变法
只需在一个钻孔内进行量测，即可确定六个空间 应力分量。
z
20 xFra bibliotek0 y
cos
2
4
0 xy
sin
2
0 z
0 x
0 y
2
0 x
0 y
cos
2
4
0 xy
sin
2
z
2
0 yz
cos
2
0 zx
sin
3.2 地应力的构成及影响因素
重力应力
原岩应力构造应力新古构构造造应残力余应力
封闭应力
温度应力
3.2.1 自重应力 由地壳岩层的重量引起。
x
x
1H1
2H2
y
z
z
x
y
z nHn
x
z
(a)单一地层
(b)多层地层
图5-2 垂直应力计算方法
垂直方向
z H
试件制备，在同一位置按6个不同方向取样，要 记录下每个试件所代表的方向，每个方向作15～25 块。加载采用小吨位单轴压力机，加载速率恒定。
试件
AE接收传 感器
AE总计数 Kaiser点
时间/s
3.4.2 间接法
1 应力解除法原理
它的基本原理是：当需要测定岩体中某点的应 力状态时，人为地将该处的岩体单元与周围岩体分 离。此时岩体单元上所受的应力将被解除。该单元 体将产生弹性恢复的应变值或变形值，用传感器测 量这一应变和位移，再根据应力和应变或位移之间 的关系计算原岩应力。
——上覆岩层平均容重。
n
z i Hi i 1
i ——上覆各层岩体容重；
水平方向
x y z
——侧压系数。
假定水平方向应变为零，根据胡克定 律可导出下式
x
1 E
x
y
z
0
y
1 E
y
x
取 分别为：
1
2
2
3
7
4
得到一下九个方程：
1
z1 1
2
0 x
0 x
3
0 y
0 y
0 z
z 1
2
0 yz
2
2
z
2 2
2 3
0 x
0 x
0 y
0 y
1 地质构造对地应力的影响
地质构造主要影响地应力的分布和传递：
（1）在静应力场中，断裂构造对地应力大小和方 向的影响是局部的。
（2）在同一构造单元体内地应力大小和方向均较 一致，而靠近断裂或其他分离面附近大小和方向才 有较大变化。
（3）在活动断层附近和地震地区，地应力大小和 方向都有较大变化。
（4）地质构造面与地应力方向关系，一般在水平面 内，最大主应力的方向常垂直于构造线。
3.2.2 构造应力
1 古构造应力：是地质史上由于构造运动残 留于岩体内部的应力，也称为构造残余应力。
2 新构造运动应力是现今正在形成某种构造 体系和构造型式的应力，也是导致当今地震和 最新地壳变形的应力。
3 封闭应力是在各种地质因素长期作用下 残存于结构内部的应力。
3.2.3 地应力的影响因素
层重量 H
在深度为25~2700m范围内，垂直应力呈线性增 长，大致相当于按平均容重0.027MN/m3计算出来。
3.3.3 水平应力普遍大于垂直应力
上限： 1500 0.5
z
下限： 100 0.3
z
3.4 原岩应力的现场实测方法
初始地应力对工程设计是不可缺少的基础资料 之一。由于原岩应力不易计算，最好的办法就是通 过现场量测获得。
0 3
1
3R04 r4
cos 2
r R0 时孔壁切向应力
0 1
0 3
pb
2
0 1
0 3
cos 2
0 时, 最小切向应力为：
3
0 3
0 1
pb
t 时，孔壁发生拉裂，得：
0 1
3
0 3
pb
岩体应力的现场量测包括岩体原岩应力测试和 洞室围岩二次应力测试。
地应力测试方法分为直接法和间接法：直接法常 用的有扁千斤顶法、水压致裂法、声发射法；间接 法有应力解除法（按测量手段不同主要有孔径变形 法和孔壁应变法）。
3.4.1 直接法
1 扁千斤顶法
测量方法：岩壁切槽两侧固定立柱间距离变化； 岩壁切槽附近应变的变化。
空心包体式三轴应变计。
l一应变计电缆；2一安装杆；3一连接销：4，l3一密封 圈；5一环氧树脂筒；6一空腔、内装粘结剂；7一电阻应变 花；8一固定销；9一应变计与空壁之间的空隙；l0一活塞；
ll一岩石钻孔壁；l2一出胶径向孔；l4一导向头
3.5.2 实测地应力的坐标变换
z Z
N
β
σ
N
隧道轴线方向
y
1
Ai Bi 1
i
E 2
Ai Bi 1
Bi Ai 1
zi
E 2
2 Ci
Ai Bi
1
0 x
1 8
3 2 1
0 y
岩体温度对地应力的影响表现在两个方 面：地温梯度和岩体局部温度的影响。
地温梯度一般为３℃／100ｍ
岩体的体膨胀系数约为 105
而岩体的弹性摸量一般为10GPa
温度应力 T 0.01HE 0.003H(MPa)
温度应力一般是静水压力
T x
T y
T z
T
3.2.4 研究原岩应力的意义
E α
大地坐标系
x
计算坐标系
li
、mi
、ni
分别为E、N、Z轴与主应力空间
1
、
2、
轴之
3
间夹角的方向余弦, 则有以下关系式
li cosi sin i mi cosi cos i ni sini
则坐标转换矩阵
l1 m1 n1
T l2
m2
n2
l3 m3 n3
d
0 x
0 y
2
0 x
0 y
cos
2
4
0 xy
sin
2
取三个不同θi，可得到三个不同方向的直径 变化Δd i，形成以下的三元一次方程组
d1
1 2
E
d
0 x
0 y
2
0 x
0 y
cos
21
4
0 xy
sin
21
d2
1 2
E
d
0 x
0 y
2
0 x
0 y
cos
2 2
4
0 xy
sin
2 2
d3
1 2
E
d
0 x
0 y
2
0 x
0 y
cos
2 3
4
0 xy
sin
2 3
